Brennstoffzellen und Wasserstoff eine Option für die Mobilität der Zukunft

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1 Brennstoffzellen und Wasserstoff eine Option für die Mobilität der Zukunft Dr.-Ing. Andreas Ziolek Umweltfachgespräch Mobilität in der Zukunft sichern Alternative Antriebstechniken und Kraftstoffe Düsseldorf, 29. Mai 2006

2 Gliederung Teil 1: Einführung in die Grundlagen der Technik Teil 2: Aktuelle Übersicht über die Aktivitäten der Pkw- Hersteller Teil 3: Politische Rahmenbedingungen weltweit Teil 4: Aktivitäten in Nordrhein-Westfalen 2

3 Teil 1: Einführung in die Grundlagen der Technik

4 Beispiel: Membran-Brennstoffzelle (PEFC) Wasserstoff Luft O-O H-H H H e - H + H+ H + O 2- O O 2 e - H 2 O Gasdiffusionsschicht Bipolare Platte Membran-Elektroden- Einheit (MEA) H Wasser Elektrodenreaktionen Anode: H 2 2 H e - U o = 1,23 V U = ~ 0,7 V Kathode: 2 H + + 0,5 O e - H 2 O (O 2 aus der Luft) Summe: H 2 + 0,5 O 2 H 2 O 4

5 Aufbau eines BZ-Stack (PEFC) Stack Bipolare Platte (Anode Wasserstoffseite) Sauerstoff Wasserstoff Einzelzelle Bipolare Platte (Kathode Sauerstoff) Polymer- Elektrolyt- Membran 5

6 Vom Stack zum System (1/4) Druckregelung Elektronik Sicherheitstechnik Gebläse Luftversorgung Stack Wasserstoffspeicher Quelle: ZBT Duisburg 6

7 Vom Stack zum System (2/4) BZ-Stack Kosten Kostenanteil ca % Kostentreiber MEA, Bipolarplatten Kostensenkung v.a. durch Mengeneffekte und Automation Technologie Standzeiten: Materialentwicklung Optimierung: weitere F&E 7

8 Vom Stack zum System (3/4) Peripherie Kosten Kostenanteil % (je nach System und Einsatz) Kostentreiber: zahlreiche Bauteile wie Pumpen, Lüfter, Befeuchtung,... Technologie oft keine angepassten Bauteile (teuer, ineffizient, störanfällig) Systemvereinfachung (Niederdruck, integrierte Befeuchtung) Komponentenentwicklung 8

9 Vom Stack zum System (4/4) Aktuelle Kenndaten Kosten Prototyp (je nach System und Einsatz) /kw Serie (ab Einheiten) /a ca /kw Lebensdauer (PEFC) Labortests Praxiseinsatz Garantiezeiten > h h > h 9

10 Die Brennstoffzelle im Fahrzeug Luftversorgung Drucktank BZ-System Stack Batterie Elektromotor Kühlsystem Getriebe Quelle: Daimler Chrysler 10

11 Hybrid-Fahrzeug: Der Weg zur Brennstoffzelle? Heute kommerziell erhältlich ca Quelle: Toyota 11

12 Alternativen zur Wasserstoffspeicherung Druck - Wasserstoffspeicher Flüssig - Wasserstoffspeicher Metallhydrid - Wasserstoffspeicher Quelle: BMW, Dynetek 12

13 Vergleich verschiedener Speicherkapazitäten Material H 2 gas, 200 bar H-atoms per cm 3 (x ) 0.99 H2-Anteil Gew.-% 100 H 2 liquid, 20K (-253 C) H 2 solid, 4.2 K (-269 C) MgH Mg 2 NiH FeTiH LaNi 5 H

14 Teil 2: Aktuelle Übersicht über die Aktivitäten der Pkw- Hersteller

15 Fünf Schritte zur Energie für die Zukunft heute - Minimierung der Emission - Steigerung des Wirkungsgrades - Reduktion der Abhängigkeit von Öl morgen Zeit Brennstoffzellen- Technologie Hybrid-Technologie Alternative Kraftstoffe Verbesserung von Kraftstoffen Optimierung des klassischen Verbrennungsmotors Quelle: DaimlerChrysler 15

16 Woher kommt der Wasserstoff? Erdgas Kohle Biomasse Vergasung Reformierung Kohle, Erdgas: CO 2 -freies Kraftwerk Pre Combustion CO 2 -Capture H 2 CO 2 CO 2 -Lager CO 2 -freie Stromerzeugung + HTR Option: H 2 via Erdgas Synthesegas (H 2, CO 2, CO) Elektrolyse Heterogen katalysierte Synthese H 2 -Abtrennung Aufbereitung Erdgas Methanol Syn-/Sunfuel Wasserstoff Strom Energieumwandlungssysteme Quelle: B. Höhlein 16

17 Erfahrungen mit BZ-Fahrzeugen bei DaimlerChrysler DaimlerChrysler ist Pionier bei BZ-Fahrzeugen Täglicher Betrieb von mehr als 100 BZ-Fahrzeugen weltweit Lange Erfahrung mit BZ-Fahrzeugen (seit 1994) Große Vielfalt an BZ-Fahrzeugen: Pkws, Busse, Lieferwagen Quelle: DaimlerChrysler Betrieb von BZ-Fahrzeugen in Kundenhand in unterschiedlichen Klimazonen bei wechselnden Temperaturen 17

18 Timeline of DaimlerChrysler Fuel Cell Vehicles Future Hydrogen Passenger Cars Phase 1 Phase 2 Necar 2 Necar 4 Necar 4 Advanced Necar 4 Advanced Chrysler Natrium F-Cell Methanol Passenger Cars Necar 3 Jeep Commander Necar 5 Jeep Commander Hydrogen Light-Duty Vehicles Necar 1 Machbarkeitsstudien feasibility studies andund market Markt preparation -Vorbereitung Sprinter Fit fit for fürdaily den Alltagsbetrieb use Hydrogen Heavy -Duty Vehicles NeBus Citaro Quelle: DaimlerChrysler 18

19 Übersicht über Firmenaktivitäten - DaimlerChrysler DaimlerChrysler (Entwicklungsstandorte: Vancouver, Nabern) 1990 Start des BZ-Programms bei DC 1994 Fertigstellung des Necar Verschiedene Versuchsplattformen bei Chrysler 2002 fcell (auf Basis einer kommerziellen Mercedes Benz A-Klasse) 2005 fcell 2 (auf Basis der Mercedes Benz B-Klasse) Quelle: DaimlerChrysler 19

20 Daimler Chrysler Aktueller Stand auf Basis der Mercedes-Benz B-Klasse Gegenüber dem fcell : 40% mehr Leistung (100 kw) bessere Beschleunigung 100% mehr Reichweite (400 km) Verbesserte Stack-Lebensdauer (> Std.) Höhere Zuverlässigkeit (Komponenten) Quelle: DaimlerChrysler 20

21 Daimler Chrysler Konzeptstudie F600 HY GENIUS (Entwicklungskonzept, Basis B-Klasse) über 30% mehr Leistung bis zu 66% höheres Drehmoment * um 24% geringerer Verbrauch: 2,9 Liter Dieseläquivalent pro 100 km Kaltstartfähigkeit bei -25 C Erstes DaimlerChrysler BZ-Fahrzeug mit Lithium-Ionen-Batterie * jeweils im Vergleich zur F-Cell B-Klasse Quelle: DaimlerChrysler 21

22 Übersicht über Firmenaktivitäten Ford Ford (Entwicklungsstandorte: Vancouver, Aachen) BZ Programm seit frühen 90er Jahren 3 Ford Focus BZ Generationen (versch. BZ und IC-Varianten) Aktuell Fahrzeuge in verschiedenen Demovorhaben in USA und Kanada Insgesamt ca. 10 Fahrzeuge weltweit im Testbetrieb Quelle: Ford 22

23 Übersicht über Firmenaktivitäten GM/Opel General Motors/Opel Entwicklungsstandorte Rochester, Warren, Mainz BZ-Entwicklung seit Mitte 60er Jahre Zahlreiche Entwicklungsstufen von GM leichter, schneller, größere Reichweite 2002: Hydrogen 3 setzte Maßstäbe Aktuelles Modell: GM Sequel GM hat als erste Firma weltweit ein BZ Fahrzeug in den Militärdienst gestellt Entwicklungsgemeinschaft mit Toyota Motors Quelle: GM/Opel 23

24 Brennstoffzellen ermöglichen innovative Fahrzeugkonzepte BZ - Hybrid - Konzept GM HyWire 2002 Leistung BZ-System Li-Ionen-Batterie H 2 -Speicher 700 bar Reichweite 480 km Verbrauch (umgerechnet) Leergewicht Sandwich-Chassis 73 kw 65 kw 8 kg 6.3 l/100 km [~55 KWh] 2170 kg GM Sequel 2005 Quelle: GM 24

25 Übersicht über Firmenaktivitäten - Honda Honda BZ-Entwicklung seit 1989 Seit 2002: Kaltstartmöglichkeit Flottenversuche in den USA Home-fueling -Konzept: Reformersystem erzeugt Wasserstoff für BZ aus Erdgas, während Strom und Wärme für stationäre Versorgung Gebäude genutzt werden soll. Aktuelles Modul, Honda SUV Umfassende Demonstrationsvorhaben in den USA (Leasingfahrzeuge z.b. in San Francisco) Quelle: Honda 25

26 Übersicht über Firmenaktivitäten Hyundai Beginn der BZ-Entwicklung in 2000 in Kooperation mit UTC Fuel Cells Aggressive Markteinführung Nissan BZ-Entwicklung seit 70er Jahren Testfahrten begannen 1999 Heute auch Kooperation mit UTC 26

27 Übersicht über Firmenaktivitäten - Toyota Toyota Erstes Wasserstoffauto 1996 vorgestellt Über 100 Patente in FC-Technologie Zahlreiche Fahrzeugvarianten Hybrid-BZ Technik (FCHV) Seit 2002 werden die FCHVs an ausgewählte Kunden verleast Toyota gilt heute als führend in der Entwicklung von BZ-Fahrzeugen Quelle: Toyota 27

28 Übersicht über Firmenaktivitäten Volkswagen 2000 erstes BZ-Fahrzeug VW Bora (Kooperation mit Hochschule) 2002 neue Version des BZ Bora 2004: BZ VW Touran Fiat 1999 Seicento Elelettra H2 kleinstes BZ Automobil 2005: BZ Panda 28

29 Teil 3: Politische Rahmenbedingungen weltweit

30 Die vier wichtigsten BZ-Regionen 30

31 Öffentliche F&E-Förderung International (ca. 2004) USA Japan Europa Treiber Department of Energy (DoE) Fuel Cell Commercialization Conference of Japan (FCCJ) Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform (HFP) Jahresbudget (in Mill. ) Deutschland EU-Mitgliedsländer (ohne D) Europäische Kommision Strategierat HYBERT verschieden HFP, nat. Programme China MOST > 25 31

32 Zusammenfassung USA Ziele: Reduktion der Ölabhängigkeit bzw. Abhängigkeit von Energieimporten H2-Erzeugung aus Kohle und Kernenergie Fokus: Verkehr (Automobil) Militär Organisation: Department of Energy, Department of Defense, Department of Transport, EERE Budget: ca Mio. US$/a 32

33 US Hydrogen Posture Plan (Februar 2004) 33

34 Zusammenfassung Japan Ziele: Reduktion der Ölabhängigkeit bzw. Abhängigkeit von Energieimporten Technologieführerschaft in Zukunftsmarkt Fokus: Verkehr (Automobil) Dezentrale stationäre Energieversorgung Organisation: METI, FCCJ Gemeinsame Strategie von Industrie, Forschung und Politik Budget: ca. 250 Mio. /a 34

35 Kommerzialisierungsstrategie der FCCJ Japan Anzahl BZ-Fahrzeuge Stationäre Brennstoffzellen * MW MW MW * PEFC F&E-Phase Einführungsphase Diffusionsphase Infrastruktur Demostrationsprojekt Bedarfsgerechter Ausbau der H2 Infrastruktur Natürliches Wachstum Codes Festsetzen von Regulierungen F&E F&E auf dem Gebiet Von FC und H 2 Weitere F&E 35

36 Zusammenfassung China Ziele: Reduktion der Ölabhängigkeit bzw. Abhängigkeit von Energieimporten Eigene BZ-Technologie entwickeln Fokus: Verkehr (Automobil) => enorme Probleme in Ballungszentren Dezentrale stationäre Energieversorgung Organisation: MOST Ministry of Science and Technology Budget: aktuell ca. 80 Mio., Tendenz stark steigend 36

37 Olympische Spiele 2008 BZ-Technik made in China 37

38 Zusammenfassung Europa Ziele: Reduktion der Ölabhängigkeit bzw. Abhängigkeit von Energieimporten Technologieführerschaft in Zukunftsmarkt Fokus: Verkehr (Automobil) Dezentrale stationäre Energieversorgung Organisation: HFP, JTI Budget: EU heute ca. 70 Mio. /a, ab Mio. /a? Regionen in Summe ca. 200 Mio. => noch fehlende Koordination! 38

39 Eine europäische H 2 -Vision 2003 Motivation Motivation für H 2 für H 2 Energieversorgungssicherheit Wettbewerbsfähigkeit Lokale Umwelt Globale Umwelt F&E, Demonstration Fossile Brennstoffe H 2- Erzeugung & -verteilung H2 aus Erdgas; Filling/refuelling stations Tankstellen Serienproduktion; Serienproduktion Stationäre Anwendung H2 mit CO2 Abtr.; Distribution grids -Örtliche Netze Fahrzeuge Markt Pipelineinfrastructure Infrastruktur Dezentrale Energieerzeugung CO 2 -freie -free production Produktion H 2 ist 1. Wahl für KfZ Kfz BZ & H 2 Systeme 2010 bis 2010 bis bis bis Zeit time Ref: nach EUR DE; Wasserstoff Abschlussbericht der Hochrangigen Gruppe 39

40 Zusammenfassung Deutschland: Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Geplanter Start: Sommer 2006 F&E: Fortsetzung und Ausbau von F&E-Aktivitäten von der Grundlagenforschung bis hin zu Demonstrationsprojekten ( nationale H2&BZ-Forschungsagenda ) Marktentwicklung: Auf- und Ausbau von Demonstrations- und Leuchtturmprojekten Weiternutzung nationaler Pilotprojekte, wie Clean Energy Partnership (CEP) Berlin oder das Hamburger HafenCity-Projekt als Marktentwicklungsprogramme ggf. im europäischen Kontext Entwicklung und Umsetzung einer H2-BZ-Roadmap Einrichtung eines professionellen Programm- und Finanzmanagement Zusätzliche Fördermittel des Bundes: 500 Mio. über 10 Jahre für F&E und Schwerpunkt Marktentwicklung 40

41 FIFA WM 2006 Eine große Chance für NRW Dortmund Gelsenkirchen Köln

42 International Partnership for the Hydrogen Economy IPHE-Ziel: Internationale Zusammenarbeit in Forschung, Entwicklung und Demonstration Politische Abstimmung zum langfristigen Übergang in globale Wasserstoffwirtschaft Secretary Spencer Abraham, US DOE November

43 IPHE Partner und Komitees Russian Federation USA Canada Iceland Japan South Korea China India Steering Committee (Lenkungsausschuss) Vorsitz USA D ist durch BMWi und BMVBS vertreten Implementation and Liaison Committee (Technisches Komitee) Vorsitz Deutschland & Island D ist durch MWME-NRW und PtJ vertreten United Kingdom France Germany Italy Australia Brazil Norway European Commission & NZ 43

44 Teil 4: Aktivitäten in NRW

45 Ziele des Netzwerks Entwicklung der Brennstoffzelle und brennstoffzellentauglicher Systemkomponenten begleitet durch eine zielgerichtete Grundlagenforschung Einführung der Brennstoffzelle in frühe Marktsegmente als Brückenfunktion zum Massenmarkt Unterstützung des Aufbaus einer marktreifen und nachhaltigen Wasserstoff-Energiewirtschaft Positionierung Nordrhein-Westfalens als international anerkannter Standort für Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnik

46 Der NRW-Ansatz /kw Teil A: Projekte zur Technologieverbreitung Ziel: Vorgehen: Kostenreduktion durch Einführung in frühe Märkte (Early adopters) Entwicklung von Anwendungen für Marktsegmente Teil B: F&E-Programm Ziel: Vorgehen: Kostenreduktion durch Innovation (Materialien, Physik und Elektrochemie) Forschungs-Cluster und Netzwerke für neue Analysemethoden Zielkosten Zeit / Stückzahlen 46

47 Strategischer Ansatz Investment [ /kw] F&E-Phase Demonstration Markteinführung /kw Frühe Märkte /kw Stationäre Energieversorgung 100 /kw Serienfahrzeuge Zeit 47

48 Strategischer Ansatz Kostenziele (Investitionen) [ /KW] Mobile Office Inspektionsroboter Tiefseeroboter TV, Cam corder, etc. Mobile/ Transportable APU Boots-APU Fahrradantrieb m it Zusatzfunktionen Fahrradantrieb Cam ping-apu Rollstuhl PEM-BHKW LKW-APU SOFC-BHKW Sonderfahrzeuge (z.b. Zuglaufkatze) USV PKW-Antrieb SOFC-BHKW MCFC-BHKW 0 0,01 0, Leistung [kw] 48

49 Strategischer Ansatz Kostenziele (Investitionen) [ /KW] Mobile Office Inspektionsroboter Tiefseeroboter TV, Camcorder, etc. in NRW Mobile/ Transportable APU Boots-APU Fahrradantrieb mit Zusatzfunktionen Aktueller Projektfokus Fahrradantrieb Camping-APU Rollstuhl PEM-BHKW LKW-APU SOFC-BHKW Sonderfahrzeuge (z.b. Zuglaufkatze) USV PKW-Antrieb SOFC-BHKW MCFC-BHKW 0 0,01 0, Leistung [kw] 49

50 Projektbeispiel Brennstoffzellen Shuttle-Bus Niederflur Midi bus (Länge 5,30 m, Breite 2,10 m) Passagierkapazität (9 sitzend, stehend) Höchstgeschw. 30 km/h, Einsatzzeit 9 h 10 kw PEFC, Hybrid Technology, 200 bar

51 Projektbeispiel Transport Pedelec Flexibles Leichtfahrzeug mit innovativem Antrieb Vielseitige Design in Abhängigkeit v. Einsatzzweck möglich Elektrische Kraftübertragung inkl. Generator (keine Kette) zulassungsfrei 250 W Bz-System f. Antrieb, Licht, Kühlung etc. Projekt Partner: Masterflex AG Hawk Bikes GmbH

52 Projektbeispiel Material Handling Fahrzeuge Verschiedene Hybridantriebskonzepte (BZ/Batterie) für verschiedene Industriefahrzeuge Kostenvorteile durch optimiertes Energiemanagement (keine Ladezeiten, erhöhte Reichweite etc.)

53 Vielen Dank für Ihr Interesse!